山地小流域 における地下水 ・ 渓流水のSiO2濃度形成

原著論文 水 文 ・水 資 源 学 会 誌 第 5 巻 2 号( 1992 ) 3 水 文 ・ 水 資 源 学 会 誌 J. Japan Soc. Hydrol & Water Resour. Vol. 5. NO. 2 (1992) PP. 3 -11 山地 小 流域 にお け る地下 水 ・渓 流 水 のSiO2濃 度 形 成 島 田 緑 子* ・大 手 信 人* * ・徳 地 直 子* * ・鈴 木 雅 一* * SiO2 concentration of groundwater in a small Yoshiko SHIMADA •E The SiO2 concentrations mesured natural in water. The SiO2 is not 2) SiO2 is dissolved 3) The mg/ƒÇ in The SiO2 words: following water soil a soluble water, chemical groudwater, substance spring which is water and streamwater comparatively contained in points, and mineral SUZUKI unsaturated is TOKUCHI stemflow. during the process of unsaturated vertical infiltration and temporary saturated water. of groundwater Kiryu experimental concentrations with Furthermore Key of fall, SiO2 Naoko settles watershed) into one at saturated value which zone is peculiar and dose to each watershed change during not (approximately lateral 18 movement of . accompanied boundary soil rain soil concentration case groundwater 4) of SiO2 the in from through the OHTE •E Masakazu watershed. indicate contained infiltration water, forested results 1) lateral of rain a small watershed Nobuhito and were forested and streamwater direct it was with bed Water of spring and stream which dilute the runoff estimated rock quality, and that run SiO2, off water spring apporoximately to Forested stream are and from in Kiryu apporoximately stream 14 to water 16g/m2 experimental to same as groundwater cause the of SiO2 per year lower without the concentration is dissolved at of surface rain events SiO2. soil and its watershed. watershed 雨水 には含 まれず,土 壌 中で濃度形 成の行 われ る溶存物質 であるSiO2の 雨水,土 壌 水,地 下水帯,渓 流水 にお ける濃度分布 を森 林流域 において測定 した。測定 の結果,SiO2は 土壌 中を深 く浸透す るほど多 く土壌水 中に溶 け出すが,飽 和地下水帯 においてその 濃度 は一定 とな り(本 試験地 において は約18mg/ι),飽 和 地 下 水帯 中で の側 方流 動 に よって ほ とん ど変 化 しな い。 渓流 水 の 濃 度 は飽 和 帯 地 下水 の それ とほ ぼ等 し く,降 雨 時 に は雨 水 に よって 希釈 さ れ る。またSiO2の 流 域 で の収 支 は常 に マイ ナ スで,桐 生 流 域 で は年 間 約14〜16g/m2が 表 層土 お よび 基岩 と表 層 土 の境 界 か ら溶 出 して い る と推定 され た. キー ワー ド: 水 質形 成 SiO2 (ケイ酸) 山地 小 流域 1 . は じめ に 1969,海 老 瀬 ら, 1982,竹 内 ら,1983),基 底 流 出 の水 質 と流 域 地 質 の対 比 を通 して 基岩 の風 化 や地 下 水 の起 源 を 従 来森 林 流 域 で の水 質 調査 は,主 に栄 養 塩 類 を対 象と 説 明 す る な どの研 究(例 えぼ吉岡,1984)が 挙 げ られ る. して,森 林 生 態 系 に お け る物 質 循 環 や,土 壌 の化 学性 が これ ら従 来 の 水 質研 究 の 多 くは雨 水 か ら渓 流 水 へ の水 樹 木 の 生長 に どの よ うに影響 す るか とい っ た視 点 か ら進 質 形 成 の 場 で あ る流 域 内 部 を ブ ラ ッ ク ボ ッ ク ス と し て め られ て お り(例えば岩坪, 1976),近 年 は酸 性雨 が 土壌 水 扱 って きた 。一 方,山 腹 斜 面 を対 象 とした水 移 動 の詳 細 と渓 流 水 の水 質 に与 え る影響 も課題 とな っ て い る。 また, な観 測 と,飽 和 ・不飽 和 浸 透 理論 に基 づ く解 析 か ら, 流 森 林 流域 の水 質 の水 文 学 的 な研 究 として,電 気 電 導 度 や 域 内部 の水 移 動 の解 明が 進 み(例 えば窪 田 ら,1988),水 質 NO3− 等 を用 いて 流 出 水 に含 まれ る地 下 水 と雨 水 の比 率 に つ いて も流 域 内部 で の雨 水 一土 壌 水 一飽 和 地 下水 一渓 を求 め る流 出成 分分 離 や(例 え ばF.Pinder&F.Jones, 流 水 の水 分移 動 に即 した物 理化 学 プ ロセ ス として そ の形 * ** 京都大学 農学部大学院 Graduate Student, Dep. of Agriculture, 京都大学 農学部 Dep. of Agriculture, Kyoto Univ. Kyoto Univ. 原著論文 4 J. Japan Soc . Hydrol & Water Resour. . Vol. 5, No. 2 ( 1992 ) 成 過程 を とら える研 究 の 必 要性 が 認識 さ れ て きて お り, 験 地 の年 平 均 気温 は12.6℃(1977年),1972年 流 域 内部 の水 質情 報 を含 む よ うな観 測事 例 が 報 告 され て で の10年 間 の 平 均 年 降 水 量,年 蒸 発 散 量,年 流 出 量 は 〜1981年 ま い る(平 田 ・村岡,1986). 1671.8㎜,740.2㎜,936.0㎜ で あ る(福 罵 ・鈴木1986). また,同 試 験 地 の基 岩 地 質 は風 化 花 陶岩 で,上 述 の小 流 本研 究 は,森 林 流 域 にお い て水 文 量 と水 質 を詳 細 に測 定 し,流 域 内 部 で の水 質 形 成過 程 を水 分移 動 過 程 と対 応 域 内 の代 表 的 な土 壌 層 位 は地 表 か ら5cm〜10cmがA させ て解 明 す る こ とを 目的 と して い る。 そ の一 環 と して, 以 下100cmま で がB層 で あ る.間隙 率 は地 表 か ら10cmま で 雨 水 に は ほ とん ど含 まれ ず 生物 に よ る分解 ・吸 収 の影 響 が 約60%,以 が 少 な い とされ るSiO2を 対 象 と して,雨 水 一不 飽和 土 壌 厚 は金 ら(1988)に よ る土 層厚 分 布 の 図 か ら計 算 す る と約 水 一飽 和 帯 地 下 水 一渓 流 水 の濃 度 形 成過 程 を,風 化 花 崩 160cmで あ る. 岩 山 地 の森 林 流 域 に お け る現地 観 測 に よっ て明 らか にす 2 . 測定 項 目,採 水 お よび分 析 方 法 る こ と を試 みた もの で あ る.SiO2濃 度 形成 過 程 が 流域 内 下 は約45%で 層, あ る(大手 ら,1989)。 平 均 土 層 図 一1に 本 研究 で用 い る水 文 ・水 質観 測 地 点 を示 した. 部 で の水 の動 き と どの よ うに 関係 して い るか を調査 す る 水 文 観 測 に つ い て は,流 域 流 出 量 は 小 流 域 下 流 端 た め,雨 量 ・土 壌水 分 ・地 下水 位 ・流 出量 な ど流域 内の (Weir 1)並 び に桐 生 試 験 地 全体 の出 口(Weir 2)の 量 水 水 移 動 に つ い ての水 文 観 測 も並 行 して行 っ てお り,そ の 堰 の2地 点 で 観 測 した 。林 外 降雨 量 は図一1に 示 した 地 解 析 結 果 を報 告 す る. 点 に設 置 した 転倒 升 式 雨 量計 で観 測 した. 小 流域 の基 岩 上 に発 生 す る地 下 水 位 は,流 域 内40地 点 H . 対 象 流 域 と観 測 方 法 に埋 設 された 塩 化 ビニー ル パ イ プ製 観 測井 戸(内径5.5cm) 1. 対 象流 域 に よ って観 測 した.な おパ イ プ の外 壁 は全 面 にス トレー 水 文 ・水 質 観 測 の対 象 流 域 は滋 賀 県 南部 に位 置 す る草 ナ加 工 を行 って い る。 この うち 図一1に 示 す3箇 所 に は 津 川 上 流 の桐 生 試験 地 内の 小 流域(0.68ha)で あ る。 同試 フ ロー ト式地 下 水位 計 を設 置 して地 下 水位 を連 続記 録 し 験 地(5.99ha)の 下 流端 量 水 堰 で は長 期 間 の流 出量 測定 が た。 残 りの37箇 所 に は 図一2の よ う に10cm毎 にカ ップ を 継 続 され て お り,同 地 点 も水 質測 定 の 対 象 と した. 試 験 地 は北 緯34.58',東 190〜255m,植 と りつ けた最 高 水位 計 が 設 置 さ れ てお り,観 測 の 際 に前 経136.00'に 位 置 し,標 高 は 回観 測 時以 降の 最 高水 位 と観測 時の 水 位 が10cm単 位 で測 生 は アカ マ ツ ・ヒ ノキ 混 交林 で あ る.同 試 図 一1 桐生試験地 定 され る. Kiryu experimental watershed. (右 図 の 綱 目部 分 が 左 図 に 示 す 詳 細 観 測 小 流 域) 原著論文 水 文 ・水 資 源 学 会誌 第 5 巻 2 号( 1992 ) 図一 3 5 マ イク ロラ イシ メ ー ター Micro-lysimeter. Length in the figure shows the soil depth in each column. 図― 2 最 高 水 位計 Sketch Diameter of the maximum groundwater level gauge. Forest of the micro-lysimeter soil undisturbed at the same site is 19.5cm. is packed under condition. 次 に水 質 分 析 の た めの試 料 水 の 採水 項 目 と方 法 を示 す. 雨水 一雨 量 計地 点 横 にお い て ポ リエ チ レ ン製 ロ ー トで 集 めた雨 水 をポ リボ トル に貯 留 し,採 水 す る. 林 内雨 一 マ イ ク ロ ライ シメー ター横 地 点 にお い て雨 水 と同 じ方法 で 採水 す る. 1の 地 下 水 と2つ の量 水堰 で の渓 流 水 は 自動採 水 器 を設 置 して毎 旦一 回採 水 した.渓 流 水 につ い て は1990年9 月 の 台風19号 を含 む降 雨 イ ベ ン トの際 に は,よ り短 い間 隔 で の採 水 資 料 も用 いて い る. 土 壌水 一 マ イ ク ロ ライ シメ ー ター を通 過 した もの を採 試料 水 は,現 地 でpH・ 電気 電 導 度 を測 定 後 ポ リボ トル に採水 し,持 ち帰 って 化 学分 析 に供 す る.な お,SiO2 の 水 す る. 地 下水 一 上 述 の最 高 水 位計 カ ップ に溜 っ てい る水 を採 化 学 分析 方 法 はJIS KO101に 準 拠 し,モ リブデ ン黄 法(雨 水 す る.初 期 の 分析 の結 果,深 度 に よる濃 度 の 変化 は ほ 水 ・林 内雨について は濃度範 囲が低 いためモ リブデ ン青法)で とん どな い こ とが 分 か って い る の で,以 後 はす べ て の 行 い,比 色 に は分 光 光 度 計(HITACHI カ ップ か ら平 均 して採 水 して一 試 料 水 と してい る.ま た, 図一1中 の井 戸G1に 自動採 水 器 を設 置 して,井 戸 の底 面 近 くの水 を採水 す る. 湧水 U‑1000)を 用 い た. III. 観 測 結 果 1 . 飽和 帯地 下 水 の存 在 とそ の変 化 に よる井 戸 の分 類 一 小 流域 出 口の 湧水 地 点 で 採水 す る. 渓 流水 一 小 流域(Weir 1)並 び に桐 生試 験 地 全 体 の 出 口 (Weir 2)の 量水 堰 付 近 で 自動 採 水器 に よっ て採 水 す る. また 降雨 時 に は集 中的 に採水 す る. 調 査 の 行 わ れ たWeir1の 集 水 域 は,傾 斜 が 比 較 的緩 く,谷 底 部 に常 時飽 和 地 下水 帯 が 存 在 す る流域 で あ る. 表 一1に1990年9月5日 か ら11月8日 まで の 最 高水 位計 に よ る観 測 結 果 を示 す.図 中 の㊧ 印 は前 回か ら今 回の観 なお,マ イ クロ ラ イ シメ ー タ ー は図 一3の よ うな 内径 測 の 間 に水 位 が あ り且 つ 今 回観 測 の 際 に も水 位 が あ った 19.5cmの 円筒 に現位 置 の 不撹 乱 森 林 土壌 を詰 めた もので, 井 戸,○ 印 は前 回 か ら今 回 の 間 に水 位 が あ った が今 回 観 鉛 直 浸透 過 程 にお け る土 壌水 の水 質観 測 のた め に設 置 し 測 時 には水 位 の な か った 井戸,× た.カ ラ ム長 は30cmと50cmが あ り,30cmの もの の一 本 は で あ り,一 は欠 測 を示 す. 図 の よ うに排 水 口 を高 くし,土 壌 カラ ム底 面 か ら最 高 で は水位 の なか っ た井 戸 37箇 所 の井 戸 の うち,渇 水 期 にお い て もほぼ常 時 水 位 15cmの 湛 水 が 生 じる.同 じカ ラ ム長 で も湛 水 させ た もの の あ った井 戸 は5箇 所,大 の ほ うが土 壌 水 の滞 留 時 間 は長 くな る. 井 戸 もふ くめ る と25箇 所 で あ り,12箇 所 の井 戸 は一 度 も 調 査 は1990年6月 か ら行 わ れ1992年1月 あ るが,本 報 で は,1991年1月 現 在 続行 中で まで の デ ー タ を扱 う. 採 水 は雨水,林 内 雨,土 壌 水,地 下 水,湧 水 にっ い て は毎 週 一 回採 水 し(ただし地下 水は水位が発生 した井戸 のみ), G きい降 雨 時 に水 位 の発 生 す る 地 下 水位 が生 じな か った.地 下 水 位 の観測 結 果 か ら, 水 位 の 生 じた井 戸 を3タ イプ に分 類す る こ とが 出来 る. 即 ち,常 時 水位 の あ る井戸(G1・G15・G34・ G2 ・G 3),通 常飽 和 帯 は存 在 せ ず 降雨 イベ ン トに対 応 して不 飽 6 原著論文 表一 1 J . Japan Soc. Hydrol & Water Resour . Vol. 5, No. 2 (1992 ) 各 井 戸 の地 下 水 の存 在 の有 無 とそ れ に よる 井 戸 の分 類 Appearance of groundwater at each well. 図一 4 各井 戸 の 小流 域 での 分布 Distributional map of wells in the small water- shed. 和鉛 直 浸 透水 の雨 水 に よ る押 しだ しや 斜 面部 に発 生 す る 一時 的飽 和側 方 流 に よって 水位 が発 生 す る井 戸 (G5 ・G 6・G7・G8・G10・G11・G12・G13。G17・ G25・G27・G28・G32・G33), G18 ・G20・ 前 2 者 の 中 間 的性 質 で 渇 水期 に は地 下水 は な く降雨 が あ る程 度 連 続 して飽 和 地 下 水帯 が 上 流 に向 か って拡 大 した と きに水 位 が発 生 し,し ば ら く飽 和 帯 が残 る井 戸(GC・GD・G4・G16) であ 図一 5 り,そ れ ぞ れ飽 和 帯 型井 戸,斜 面直 下 型 井 戸,遷 移 帯 型 body . (Kim et al , 1988) 井 戸 と呼 ぶ. 図一4は 地下 水 帯 の 断面 形 状 Cross section of groundwater Regend: この よ う に して分 類 した井 戸 の 流域 内 での 分 1 2 布,図 一5は 金 ら(1988)に よ って 示 さ れた 地 下水 帯 の断 Through fall Unsaturated vertical infiltration of soil water 面形 状 で あ る。 これ らの 図か ら,斜 面 直 下 型 井戸 は流 域 3 Temporary saturated tration of soil water 4 5 Lateral movement of groundewater Groundwater runoff の斜 面 部 に,飽 和 帯型 井 戸 は は流域 谷 底 部 の 基岩 の凹 部 に存 在 す る飽 和 帯 の領 域 内 に,遷 移 帯 は その 中 間 に あり, lateral infil- 斜面 部 に降 っ た雨 は斜 面 直 下 型 井戸 → 遷 移 帯型 井 戸 → 飽 和帯 型 井 戸 へ と流 れ る こ とが 分 か る. 図 一6(1)は 2 . SiO2 濃 度 の観 測 結 果 図一6は 観 測 期 間 の1990年6月28日 旦 雨 量,(2)は 及 びWeir2で か ら1991年 1 月11 日 までの,旦 降 雨 量 ・地 下 水位 ・流 出量 と,そ れ に伴 う SiO2め 濃 度 変 化 を示 した もの で あ る。SiO2濃 度変 化 を表 す各 グ ラ フに は 目安 と して濃 度18mg/lに 点 線 を ひ いた. 地 下 水 位 の 変 化,(3)(4)はWeir の 流 出 量,(5)以 下 は 各 地 点 で のSiO2 て い る 。 こ の 観 測 期 間 中,7, く, 9月 10,11, SiO2の 1 を表 し 8月 は ほ と ん ど降 雨 が な に 台 風 を 含 む 数 回 の 降 雨 イ ベ ン トが あ っ た あ と, 12月 に も数 回 の ま と ま っ た 降 雨 が あ っ た. 濃 度 を順 に み て い く と,図 一6(5)に 示 さ れ る, 原著論文 水 文 ・水 資 源 学 会 誌 第 5 巻 2 号( 1992 ) ( 1 Sit (1) Rainfall (2) Groundwater (3) Discharge(weirl) (4) Discharge(weir2) height concentration ( 5 ) ( 2 ) ( 6 ) ( 3 ) ( 7 ) ( 8 ) ( 4 ) ( 9 ) of (5) Soilwater(microlystmeter) (6) Groundwater(slope (7) Groundwater(transitional (8) Groundwater(saturated zone) (31 (9) Groundwater(saturated zone) G15 zone) G1 side) (10)Groundwater(saturated (11)Spring ) 7 56 G25 zone) GP ( 10 ) ( 11 ) ( 12 ) and Streamwater(weirl) (12)Streamwater(weir2) 図 一 6調 査期 間中 の 降 雨量 ・地 下 水位 ・流 出 量 な らび にSiO2濃 度 変 化 Rainfall, groundwater height, discharge and Si02 concentration during the experimental period. マ イ ク ロ ラ イ シメ ー ター か ら採 水 さ れ た 土 壌 水 のSiO2 度 と同様 の 濃 度 で あ る。 これ は,地 下 水 帯 の小 さか っ た 濃 度 は3〜6mg/l前 前 半 は この 井戸 の地 点 まで飽 和 地 下水 帯 が達 して お らず 後 で,30cmの カ ラ ム を通 っ た土 壌 水 よ り50cmの カ ラ ム を通 っ た土 壌 水 の ほ うが 濃 度 が高 い. 降 雨時 の み地 下水 位 が発 生 す るの に対 して,後 半 は この また,同 じ30cmで もカ ラ ム下 半 分 を湛 水 させ た ものの ほ 井戸 の位 置 まで地 下 水 帯 が広 が って いた こ と と対 応 して うが濃 度 が 高 い. い る(表 一1参 照). 図一6(6)は 斜 面 直 下 型 の 井 戸G6とG25で,深 各 々36cmと112cmで あ るが,SiO2濃 6mg/l程 度 は 度 はそ れ ぞれ3mg/l, 次 に飽 和 帯型 の井 戸G34,G15,G1に 図 一6(8)のG34は つ い てみ る. 飽 和 地下 水 帯 の 上流 部 に位 置す る井戸 度 とな る。この濃 度 は同 じ よう に土 壌 中 を浸 透 で あ る。土 壌 層 は厚 く井戸 深 は512cmで あ り,渇 水 期 に約 した と考 え られ る上 記 の マ イ ク ロラ イ シ メー タ ーか らの 20cm,最 高 で 約90cmの 井戸 底 か らの水 位 が あ っ た。 この もの と同程 度 で あ る. 井 戸 の平 均SiO2濃 度 は16.4mg/1で 図一6(7)は 遷 移 帯 型 井 戸 に 分 類 さ れ た 井 戸GDの SiO2濃 度 で,9月 末 まで は5mg/l程 に高濃 度 とな り,15〜20mg/lに 度,そ れ 以 降 は次 第 あ る.(9)のG15は 飽和 地 下 水 帯 の 中 間部 に あ り井 戸 深 は320cmで あ る。SiO2の 平 均濃 度 は18.4mg/lで あ る。どち らの井 戸 も濃度 は観測 な っ て い った 。9月 まで 期 間 を通 じて 安定 して お り,雨 水 の流 入 や 地 下水 位 の 変 の濃 度 は斜 面直 下 型 井 戸,10月 以 降 は飽 和 帯 型 井戸 の濃 化 に よる濃 度 変化 は あ ま りな い。 図 一6ω は飽 和 帯 型 の 8 原著論文 井 戸G1の J. Japan Soc. Hydrol & Water Resour. .Vol. 5, No. 2 (1992 ) 濃 度変 化 を示 す。G1は 湧水 点 に近 い地 下 水 流 水 のSiO2濃 度 変 化 を図一7に 示 した.9月12旦 まで の 帯末 端 部 に位 置 し,井戸深 は72cmで,平 均濃 度 は17.1mg/l 約2カ 月間 は図 一6(1)〜(4)の降 雨 量,地 下 水 位,流 出量 で あ る。この 井戸 のSiO2濃 度 も無 降雨 時 には約18mg/l で の 図 に示 され るよ う に観 測期 間 中で 流域 が 最 も乾 いて い 定 常 して い るが,降 雨 時 に は濃 度 が薄 ま る。 これ は, 地 た期 間 で あ る。 そ の後13旦 に雷 雨 型 の 降雨(連 続雨量69.0 下 水面 が 地 表 面 か ら比 較 的浅 い層 に あ るた め,SiO2 を ほ ㎜),19日 に台 風19号 に伴 う128.5㎜ の降 雨 が あ った.こ の とん ど含 まな い雨 水 に よる希 釈 の 影響 が 現 れ て い る と考 19日 間 の総 降 雨量 は380。3mで あ った.図 中 に は,毎 日午 え られ る. 前0時 の 自動採 水 分 と集 中観 測時 に採 水 した もの の他, G34・G15・G1の 飽 和 帯型 井 戸 で はsio2濃 度 は ど こ 19・20日 に は両方 の量 水堰 に お け る1時 間 毎 に採 取 され で も16〜18mg/lと 斜 面 直 下 型 井 戸 に較 べ て高 濃 度 で 安 た 渓流 水 のSiO2濃 度 が プ ロ ッ トさ れ てい る。SiO2濃 度 は 定 して お り,濃 度 変 化 は ほ とん どな い。 また そ の平 均 濃 降 雨 に ともな っ て下 が り,降 雨 後 は比 較 的 す み やか に降 度 か らわか る よ うにG34→G15→G1と 雨 前 の濃 度 に戻 る こ とが わか る.こ の よ うなSiO2濃 度 の い う側 方流 動 で の 濃度 変 化 もほ とん ど認 め られ な い. 希釈 は,地 中 を通 って 出 て きた 流 出水 に,湧 水 点 付 近 お 図 一6(11)(12)は 湧水 並 び にWeir1,Weir2の 量水堰 付近 で の渓 流 水 のSiO2濃 度 を示 して い る。観 測 期 間 中 の各 地 点 の全 試 料 水 の平 均 濃 度 は それ ぞ れ15.1mg/l,15.1mg/l, 15.3mg/lで あ る。ただ し これ らの 平均 値 は降 雨 時 に雨 水 に よっ て希 釈 され た低 濃度 サ ンプ ル が多 く含 まれ るた め 基底 流 出時 の み の平 均 濃度 よ りも若干 低 くなっ て い る. 基底 流 出時 の 渓流 水 濃 度 は,9月 以 降 は約16mg/lで 以 前 は約18mg/l, 9月 よび 河 道 に 降 るSiO2を 含 ま な い雨 水 が 混 合 す る こ とに よ る. IV . 考 察 1 . SiO2 の流 域 での収 支 SiO2の 各 場 に お け る 濃 度 か ら流 域 で のSiO2の 収 支 を 考 え る. 安 定 して い る。ごれ は飽 和 帯地 下 水 の 桐 生 流 域 に お け る1972〜1981年 の10年 間 の平 均 年 降雨 SiO2濃 度 とほ ぼ等 し く,飽 和 帯 地 下水 帯 を流 動 して い る 量 は1672㎜,流 出量 は936㎜ で あ る 。雨 水 のSiO2濃 度 はモ 水 が そ の ま ま湧水 ・渓 流水 とな って流 出 して い る た め と リブ デ ン青 法 の検 出 限界 以 下 で あ り,入 力 は0g/m2/yr 考 え られ る.降 雨 時 には渓 流 水 の 濃度 は飽 和 地 下水 帯 末 とみ なせ る.出 力 は濃度 と流 出 量 の積 で あ り,Weir1 端 部 の井 戸GIに 平 均 濃 度15.1mg/lに お ける濃 度 よ り更 に薄 ま る。 また,こ の 降雨 時 の渓 流水 のSiO2濃 度 の変 化 は,図 一6(1)の 雨 量 yr,Weir2の お よび 図一6(4)の 流 出量 の変 化 と よ く対 応 して い る. m2/yrと な る.な お,Weir1,2の そ こで さ らに短 い間 隔 で の変 化 を み るた めに1990年 9 月11日 〜29日 までの 一連 の降 雨 時 のハ イ ドロブ ラ フ と渓 の 流 出 量936mmを 乗 ず る と14.1g/m2/ 平 均濃 度15.3mg/lか ら計 算 す る と14.3g/ 平 均 濃度 が降 雨 中 の 試料 を多 く含 み,過 小 で あ る と して,飽 和 地下 水 帯 末端 部 の 井 戸G1の 平 均 濃 度17.1mg/lを 16.0g/m2/yrと な る。 いず れ に し て も毎 年 平 均14〜16g/ m3(140〜160kg/ha)のSiO2が 与 えて 計 算 す ると 流域 か ら溶 け出 して い ると い う こ とにな り,SiO2の 収 支 はた えず マ イ ナ ス とな って い る. SiO2の 収 支 が マ イ ナ ス で あ る の は土 壌 鉱 物 か らの 溶 出 に よ ってSiO2が 流 域 か ら失 わ れ て い る こ とを 示 し て い る。 流域 内部 で この 溶 出 とSiO2濃 度 形 成 が どの よ うに お こなわ れ て い るか を次 に考 察 す る. 2 . SiO2 濃度 形 成 過程 流域 内 部 にお け る水 循 環 の 各 素 過 程 ご と にSiO2の 濃 度形 成 過 程 を模 式 化 した もの が 図 一8で あ る.図 中 の黒 い 矢 印 は そ こで鉱 物 か らの溶 出 が お きて 濃度 が 濃 くなる 部分,白 の 矢 印 は濃度 が変 化 しな い部 分,斜 線 の 矢 印 は 希 釈 な どに よ って 濃 度 が 薄 ま る部 分 を表 し て い る,図 一8に 基 づ きSiO2濃 度 形 成 の 場 は次 の6つ に ま と めら れ る. 図一 7 SiO2は まず(1)雨水 に はほ とん どふ く まれ ず,樹 冠 を通 流 出量 と渓流 水SiO3 濃 度 の 関係 Relationship streamwater between and discharge Si02 concentration rate. of 過 す る過程 で も増 えな い。 そ して(2)不飽和 鉛 直 浸透 と(3) 一時 的 飽和 側 方 流 の過 程 で 濃度 上 昇 す る 。 また そ の濃 度 原著論文 水 文 ・水 資 源 学 会 誌 第 5 巻 2 号( 1992 ) 図一 8 9 SiO2 濃 度 形成 の概念 図 Conceptional tration figure to explain where the concen- of SiO2 is formed. Regend: 1 Through 2 Unsaturated fall vertical infiltration saturated lateral of soil water 3 Temporary tration of soil 4 Lateral 5 Groundwater 6 Direct infil- 図一 9 water movement SiO2 平 均 濃 度 と観 測 井 戸 の深 さとの 関係 SiO2 of groundwater runoff of wells. Mark: average maximam runoff は一定 値 以上 に はな らず,桐 生 流 域 で は約18mg/lが concentrations depth 上限 and concentration and the minimum relationship Bars: with range the of the concentration す る際 の 平均 濃 度 は15.1mg/1〜15.3mg/1で あ る。 この で あ る。 つ ぎ に(4)飽和 地 下 水 帯 で は ほ とん ど濃 度 変 化 を 平 均 値 は降 雨 時 の低 濃 度 の デー タ が 多 い た め若 干 低く せ ず,ま た飽 和 地 下水 帯 中 を側 方流 動 す る過 程 での 顕著 な っ てい るが基 底 流 出時 の 平 均濃 度 は これ よ り高 く, 9 な 変化 はみ られ ない 。 さ らに(5)飽和 帯 地 下水 が 湧 き出 し 月以 前 で 約18mg/l, 渓 流水 とな る過 程 で,無 降 雨 時 に は地 下 水 と同 じ濃 度 で (1(12)). で て くる。この濃 度 は観 測 期 間 を通 じて16mg/1〜18mg/1 9月 以 後 で約16mg/1で ある(図一6 観 測 か らSiO2濃 度 上 昇 が 主 と して 図一8(2)の 不 飽 和 の範 囲 にあ る。 そ して(6)降雨 時 に は河 道 な どに直 接 降 っ 鉛 直 浸 透 と(3)一時 的飽 和 側 方 流 の過 程 で生 じて い る こ と た 雨水 に よ る希 釈 を うけ る. が わか った が,こ れ は この現 象 が生 じ る部 分 で 鉱物 か ら このSiO2の 濃 度 形 成 過 程 を観 測 結 果 に あ て は め て 考 の溶 出が 生 じて い る こ とを意 味 して い る。 つ ま り,SiO2 える た め,森 林 内部 に於 ける各 地 点 の水 のSiO2濃 度 の 測 は まず(2)の過 程 で 表 層土 壌 層 か ら溶 出 して い る と考 え ら 定期 間 中の平 均 値 と変動 幅 を示 した のが 図 一9で あ る. れ,ま た 一部 は(3)の過 程 で 表 層土 と基 岩 の境 界 か ら溶 出 横 軸 は井 戸 また はマ イ ク ロ ライ シメ ー ター の地 表 面 か ら して い る可能 性 が あ る。SiO2が 表 層 土 か ら溶 出す る場 合 の 深 さ を表 して い る。縦 軸 はSiO2濃 度 を表 して い る。 図 は,水 と接触 す る こ とに よ って表 層 土 中 の土 壌 鉱物 が変 の左 側 に は雨水 ・林 内雨 ・湧 水 ・渓 流 水 の 濃度 を示 した. 成 す る結 果 で あ ろ う。斜 面 の 一 時 的飽 和側 方流 の 過程 で 各 プ ロ ッ トに つ いて 中心 の点 はSiO2の 平均 濃 度,上 下 の の溶 出が あ る とす れ ば,表 層 土 と基 岩 の境 界 部 分 にお い 直線 は測 定 期 間 中のSiO2濃 度 の 変 動 範 囲 を表 して い る. て溶 出が 生 じて い る と考 え られ,溶 出が つ づ くと時 間 と まず,森 林 の樹 冠上 に は濃度 が ほ とん ど0mg/lの 雨が と もに地 中 で基 岩 が 化学 風 化 を うけ る こ とに な る。 この ふ り,林 内雨 に もSiO2は ほ とん ど含 まれ な い。次 に斜 面 過 程 は表 層土 の形 成 や斜 面 崩 壊 と も関 係 す る。 今 回 の観 直 下型 井 戸 の地 下 水 や マ イ ク ロラ イ シ メー タ ー か らの 土 測 の結 果 か ら(2)と(3)の 寄 与 率 につ い て検 討 してみ る と, 壌 水 の平 均 濃度 をみ る と,図 中 にひ いた 右 上 が りの 点 線 (2)の過 程 で溶 出 して い る量 が か な りを 占め る ことが わか の よ うに,井 戸 が 深 い ほ ど,あ るい は土 壌 層 が厚 い ほど, る。 この こ とは 図一6(5)の マ イ ク ロ ラ イ シメ ー ター か ら つ ま り鉛 直 浸透 距 離 が長 い ほ どSiO2濃 度 が高 い。飽 和 帯 採 水 した 土壌 水 の濃 度 か ら窺 う こ とが で き る.30cmな い 型 の井 戸 で は井戸 の深 さ と は無 関係 に 平 均 濃 度 は し50cmの 不 飽 和 鉛 直 浸 透 の 過 程 で す で に 約5mg/l 16.4〜18.5mg/1と SiO2が 溶 出 して い るが,観 測 したWeir1の な る.そ して湧 水 ・ 渓 流 水 と して流 出 の 流域 の 平均 土 10 原著論文 J. Japan Soc . Hydrol & Water Resour. .Vol. 5, No. 2 ( 1992 ) 層厚 は金 ら(1988)に よる土 層 厚分 布 の 図 か ら計 算 す る と V . まとめ 約160cmで あ り,160cmの 深 さに対 す る図 一9の 右 上 が り の破 線 の 示 す値 は約10mg/ι のSiO2濃 度 にな る。この こ と SiO2濃 度 形 成 の シ ス テ ム に つ い て 観 測 か ら明 か に か ら不 飽 和 鉛 直 浸 透 の 過 程 で 表 層 土 壌 か ら溶 出 す る な った こ とを整 理 す る と,以 下 の よ う にな る.ま ずSiO2 SiO2の 割 合 が,表 層 土壌 層 と基岩 の境 界 か らの溶 出 に較 濃 度 形 成 の場 につ い て は,次 の6つ の過 程 が あ る. べ て大 きい と考 え られ る. (1) SiO2は 雨 水 ・林 内 雨 に は含 まれ な い. な お,土 壌 中 の雨 水 の鉛 直 浸透 過 程 にお い て,深 層 ほ どSiO2濃 度 が 高 くな る こ とに関 して は平 田 ・村 岡(1988) もポ ー ラス カ ップ を用 いた 吸 引 式採 水 器 で採 取 した 土壌 水 の分 析 か ら同様 の 結果 を示 して い る. ま た糸 山(1984)は3箇 水 質 を調 べ て お り,そ の う ちの ひ とつ で 降 雨 中 の濃 度上 昇 を報 告 して い る。 さ らに海 老瀬(1986)は 渓流 水 にお い て 降雨 中の 濃度 上 昇 を報 告 して い るが,今 回桐 生 試 験 流 域 で の観 測 で は この よ うな傾 向 は み られ な か った 。 これ は流 域 や 先行 降雨 条件 等 の 違 い に よ る もの と思わ れ る. 地 下 水 の 濃度 と渓 流水 の 濃度 の関 係 につ い て は,波 丘 流水濃 度 10.46mg/ι(た だ しSi濃度。SiO2濃度 に換算 する とそれ ぞれ 23.2mg/ι,22.4mg/ι)と 壌 鉱 物 か ら溶 け 出す. (4) 飽和 地 下 水 帯 に お いて 一 定濃 度 で 平衡 状 態 に達 し (桐生 試験流域の場合 は18mg/l),地 下 水 の 側 方流 動 に よっ 所 の ボ ー リン グ孔 か らの地 下水 地 試 験地 に お い て 地 下 水 濃 度10.85mg/ι,渓 (2) 鉛 直不 飽 和 浸透 と(3)一時 的飽 和 側 方 流 の過 程 で土 て濃 度 変 化 は な い. (5) 無 降雨 時 に はほ ぼ その ま まの濃 度 で 湧水 ・渓 流水 と して流 出 す る. (6) 降 雨 の際 に は,河 道 降 雨 や表 面 流 に よっ て希釈 さ れ る. また,SiO2の 流 域 で の物 質 収 支 は常 に マイ ナ ス で,桐 生 流 域 で は約14〜16g/m2/yr(140〜160kg/ha)のSiO2が 溶 出 してい る. 観 測 か ら,こ の溶 出が お こ る場 所 は主 に表 層 土 お よび い う 報 告 が あ る(田 中 ・山 崎 表層 土 と基岩 との境 界 と考 え られ,不 飽 和 鉛直 浸 透 と一 1985)。この事 例 は地 下水 と基底 流 出時 の 渓 流水 濃 度 が ほ 時 的飽 和 側 方流 発 生 の過 程 で 濃度 が形 成 され るが,表 層 ぼ 同 じ点 で,桐 生 で の観 測 と一致 す る. 土層 内の 不飽 和 鉛 直 浸透 に よ る部 分 が 全 溶 出量 の半 分以 基 底 流 出 時 の渓 流水 濃 度 が 年 間 を通 じて安 定 し てお り そ の値 は流域 に固 有 の もの で あ る こ とも既往 の渓 流 水 を 上 で あ る こ とが わ か っ た. 以 上,観 測 か らSiO2濃 度 形 成 の場 につ い て定 性 的 に も 対 象 とした観 測 にお い て幾 つ か報 告 され て い る。 例 えば, 定量 的 に もか な り詳細 な情 報 が 得 られ た 。 しか し,渓 流 渓 流 水 の濃 度 に つ い て,筑 波 森 林 流 域 に お い て21mg/ι 水 のSiO2濃 度 が 流 域 特 有 の 一 定 値 で定 常 状 態 に な る 理 (平田 ・村 岡 弐986),波 丘地 試 験 地 にお い て21〜22mg/ι (田中 ・山崎1985)で 年 間 ほぼ定 常 して い る こ とが 報 告 由 や土 壌 鉱物 か らの溶 出速 度 な ど濃 度 形 成 の メ カニ ズ ム につ いて は さ らに解 明 が必 要 で あ る. され て い る。今 回の観 測 で も,図 一6(11)(12)か ら読 み取 れ 本 研 究 を行 うに あた り,京 都 大学 農 学 部 の岩 坪 五郎 教 る よ うに渓 流水 の濃 度 は観 測期 間 を通 じて 安定 した値 を 授,小 橋 澄 治教 授,福 嶌義 宏助 教授 か ら多 くの御 助 言 を 示 して い る。 また,小 林(1971)は い た だ き ま した。 こ こに謝 意 を表 します 。 また,本 研 究 旦本 全 国 の約500河 川 のSiO2濃 度 を示 して い る。 これ に よ る と,九 州地 方,関 の一 部 は文 部省 科 学 研究 費(一 般C, 02660159)の 補 助 を う 東地 方,北 海道 東 部 の河 川 で 濃 度 が高 く,ま た 中 で も火 け ま した. 山 系 の地 質 の と ころで濃 度 が 高 く,水 源 地 の 地質 が 水 成 引 岩 で あ る河 川 で は濃 度 が低 い こ とが観 測 され て い る。 こ れ らの河 川 のSiO2濃 度 の範 囲 は5mg/ι 〜55mg/ι で 全 国 献 成 分 の 水質 に よ る分 離,第26回 地 下 水 の平 均 濃 度18mg/ι は これ ら の これ ま で報 告 され 雨流出 水 理 講 演会 論 文 集, pp.279〜284 2) 海 老 瀬 潜一 (1986) : 陰 イオ ン物 質 流 出 動態 の土 地利 この よ うに,今 回観 測 に よ って得 られ た 濃 度 の範 囲, 用 形 態 に よ る 相 違,第30回 濃 度 変 化 な ど,個 々 の素 過 程 は多 くの部 分 で 従来 の知 見 と一 致 す る。本 研 究 で は これ を さ ら に一 歩 進 め て 降 雨 一土 壌 水 一地 下 水 一渓 流 水 と一 流域 で見 る こ とで ,濃 度 文 1) 海 老 瀬 潜一 ・村 岡 浩爾 ・大 坪 国順(1982):降 平 均 は19mg/ι で あ る。本 報 告 の 桐 生試 験 流 域 で の飽 和 帯 て い る値 の 中央 値 付 近 に あ る. 用 水 理 講 演 回 論 文 集, pp.37〜42 3 ) George F.Pinder Determination and John F.Jones of the Ground-Water (1969) Component 形 成 の場 を具 体 的 にお さ え る こ とがで きた 。 また,こ の of Peak Discharge from the Chemistry of Total 作業 に よっ て表 層 土 の鉛 直 浸 透過 程 での 溶 出 の寄 与 率 が Runoff, 大 き い こ とが明 か とな った. pp . 439-445 4) Water Resources Reseach Vol.5 No 2, 窪 田順 平 ・福 嶌 義 宏 ・鈴 木 雅 一(1988): 山腹 斜 面 に 原著論文 水 文 ・水 資 源 学 会 誌 第 5 巻 2 号( 1992 ) お け る土 壌水 分 変 動 の観 測 とモ デ ル化(II) お よび地下 水発 生域 の検 討,日 林 誌 5) 70,PP.381〜 389 平 田健 正 ・ 村 岡浩 爾 (1986):山 地 小 流 域 にお け る溶 存物 質 の降 雨流 出 特性 に つ いて,第30回 論 文集,pp.43〜 6) 水収支 水 理講 演 会 公論社 10) 金載 水 ・窪 田順 平 ・鈴 木 雅 一 ・福 嶌義 宏(1988): 平 田健 正 ・ 村 岡浩 爾(1988):山 地小 流 域 にお ける溶 京大 演 報60,pp.174〜 189 の健 康 診 断,岩 波 新 書206P l2) 大手 信 人 ・鈴 木雅 一 ・窪 田順 平(1989):森 存 物 質 の降 雨 流 出特 性 に つ いて(3),第32回 水 理講 演 土壌 水 分 特 性(1)飽 会 論 文集,pp.49〜 布 の測 定法 と2,3の 測定結果,日林誌 54 7) 福 嶌 義宏 ・ 鈴 木雅 一(1986):山 地 流域 を対 象 と した 水 循 環 モ デル の提 示 と桐生 流 域 の10日 連 続 日 ・時 間 記 録 へ の適 用,京 大 演 報 8) 糸 山東 一(1984):降 球 化 学8,pp.15〜 9) 岩 坪 五 郎(1976):山 希 記 念 論 文 集I 編'森 57,pp.162〜 水 に よ る地 下 水 水 質 の変 動, 地 71,pp.137〜147 13) 竹 内邦 良 ・ 坂 本康 ・ 本 郷 善彦(1983):NO3‑を トレー サ ー に用 いた 流 出成 分 分 離 の可 能 性 につ いて,第27 413 14) 田中 正 ・山崎 崇 (1985):森 林 小 流 域 の水 循 環 過程 に お け る水 質 特 性 一 多摩 丘 陵 源 流域 を例 と して―,ハ 19 岳 森 林 生 態学 一 今 西錦 司 博 士 古 加 藤 泰 安,中 林土壌の 和 一不 飽 和 透 水特 性 の鉛 直 分 回 水 理講演 会 論文 集,pp.405〜 185 桐 生試 験 地 の緩 斜 面 にお け る土 壌 水 分 と地 下水 の変 動, 11) 小林 純(1971):水 48 11 尾 佐 助,梅 棹 忠 夫 林 生 態 系 で の植 物 養 分 物 質 の 循 環― そ こで の雨 水 の はた す役 割 に つ いて 一',pp.313〜360, 中央 イ ドーロ ロ ジー15(1),pp.21〜 32 15) 吉 岡龍 馬(1984): 六 甲 山系 の 地下 水 の水 質特 性 につ い て,日 本 地 下 水 学会 会 誌26(4),pp.147〜 165 (1991年 10 月 21 日受 付, 1992 年 1 月 31 日受 理)